Das Wasser, das wir trinken

GProf. Dr. Kurt Metzger

Es gibt viel Wasser auf der Erde, aber doch nicht genug!

Wasser kommt in der Natur in drei Stoffzuständen vor, und  zwar:

1. in fester Form als Eis, Schnee, Graupel und Reif
2. in flüssiger Form als Wasser
3. in gasförmiger Form als Wasserdampf.

 Fakten, die man wissen sollte:

Die flüssigen Wassermassen unseres Planeten bedecken 71 % der Erdoberfläche, das Verhältnis  Gesamtwasservolumen zu Volumen der Erdkugel beträgt 1 zu 777.
Der Hauptanteil des Wassers ist in den Weltmeeren gespeichert, die verbleibenden Vorkommen haben im Rahmen der Gesamtbilanz sehr geringe Anteile.

Entscheidend für das Leben auf den Landflächen sind die Süßwasser-Vorräte, die nur 2,6% der  Gesamtwassermasse der Erde ausmachen.

Die Süßwasser-Vorkommen sind in Tab. 1 untergliedert aufgeführt. Da die Hauptmasse des Süßwassers vor  allem im Eis der Polargebiete gespeichert ist, verbleibt als gebrauchsfähiges Süßwasser auf den Landflächen, von dem Flora und Fauna abhängen, nur ein geringer Bruchteil der Gesamtwasservorräte.Und  diese sind auf der festen Erdoberfläche höchst ungleich verteilt.

Mittlere Wasserbilanz der Bundesrepublik Deutschland.
Die Bundesrepublik Deutschland ist mit rund 290 Mrd. m³/a Wasserumsatz aus Niederschlägen und Zuflüssen ein wasserreiches Land (Tab.2). Der durchschnittliche Niederschlag von 837 mm/a  liegt über dem mittleren Niederschlag von 730 mm/a auf die Landfläche der Erde.

Niederschlagshöhe (mm/a)   Menge (Mrd.m3/a) Zufluss von Oberliegern 331 82 Niederschlag auf die Gesamtfläche 837 208 Summe 1168 290

                 Tab.2 Wasserbilanz der Bundesrepublik Deutschland (Messungen von 1931 bis 1960)

Bedeutung des Wassers.

Wasser ist eine elementare Komponente für alles Leben und unabdingbar für alle Lebewesen. Ihm kommen folgende stichwortartig aufgeführten grundsätzlichen Bedeutungen zu [1]:

1. Wasser ist Baustoff bei der Photosynthese der Pflanzen und Bestandteil der Organismen
2. Wasser ist Lösungsmittel, z. B. für die Bodennährstoffe
3. Wasser ist Nahrungsmittel
4. Für alle Organismen ist Wasser Lösungs-, Transport- und Quellungsmittel, es ermöglicht die  zahlreichen chemischen und kolloidchemischen Zellreaktionen.

Beispiel Mensch:
Der durchschnittliche Wassergehalt des erwachsenen Menschen beträgt über 50%. Der tägliche Wasserumsatz beläuft sich auf etwa 2,5 Liter: Als Trinkflüssigkeit werden ca. 1,2 Liter, mit dem Wassergehalt der Nahrungsmittel rund 1 Liter aufgenommen, und als Oxidationsprodukt des Stoffwechsels  entstehen ca. 300 ml im menschlichen Körper; ausgeschieden werden als Harn ca. 1,5 Liter, als Schweiß 0,6 Liter, durch die Atemluft 300 ml und im Kot 100 ml.

Was man noch wissen sollte:

Die Regulation des mit dem Elektrolyt-Haushalt gekoppelten Wasser-Haushalts erfolgt durch das  RAA-System (s. Renin), Vasopressin, Mineralcorticoide (s. Corticosteroide und Nebennierenhormone) und alle die Tätigkeit der Nieren beeinflussende Hormone.
Das Wasser regelt auch die Körpertemperatur, indem es durch Verdunsten an der Hautoberfläche dem Körper Wärme entzieht (Schweiß). Größere Wasserverluste können bei starkem Fieber, Diarrhoe, Erbrechen, Ödemen und Verbrennungen auftreten. diese Wasserverluste müssen durch Infusionen ersetzt werden um  den Organismus vor größeren Schäden zu bewahren.
Kältetolerante Organismen verhindern die Eisbildung. mit Hilfe körpereigener Gefrierschutzmittel, z.B. mit Glykoproteinen (bei arktischen Fischen) oder mit Glycerin, Sorbit, Glucose und Prolin (bei Gallenfliegenlarven). Eine andere Taktik verfolgen Mikroorganismen, die mit Proteinen als Gefrierkeimen die  extrazelluläre Eisbildung fördern. Da die Aktivität von Enzymen an die Gegenwart von Wasser gebunden ist, lassen sich enzymhaltige Nahrungsmittel durch Trocknen - am schonendsten durch Gefriertrocknung -  dauerhaft konservieren. Andererseits sind manche Organismen in der Lage, durch Bildung von Dauerformen (Sporen, Samen) wasserarme oder gar wasserfreie Perioden zu überstehen (Anhydrobiose).
Für standortgebundene Pflanzen ist Wasser von essentieller Bedeutung. Besonders Arten wie Sukkulenten haben sich einem episodischen oder periodischen Wassermangel angepasst, z.B. durch dichte Behaarung, Verminderung der wasserverdunstenden Oberfläche (Kakteen, tropische Euphorbien), Versenkung der Spaltöffnungen, Verstärkung der Kutikula, Erhöhung der Salzkonzentration und des osmotischen Drucks in den Wurzeln usw. Im Gegensatz zum Wasser ist das Erdreich für die Pflanzen entbehrlich (Hydrokultur).

     Bild 1: Im Tal des Todes, Kalifornien USA, herrscht extreme
 Trockenheit, im Hintergrund auskristallisiertes Soda und Borax

Frische, grüne Wiesenpflanzen bestehen zu 70 - 80% ihres Gewichtes aus Wasser, Wassermelonen zu 93%, Gurken zu 96%, Kürbisse, Rhabarber und Kopfsalat jeweils zu 95%.
Eine Sonnenblume verdunstet an einem klaren, sonnigen Tag etwa 1 Liter Wasser, eine Birke mit 300000 Blättern 90-110 Liter, ein Hektar Buchenwald mit 400 Bäumen im Lauf einer Vegetationsperiode etwa 3,6 Mio. Liter Wasser, das wären etwa 60%. der Niederschläge, wenn man eine Niederschlagsmenge von 600 mm zugrunde legt. (Frage: In welchen Klimaräumen der Erde wäre dies der Fall?)
Bei künstlicher Bewässerung benötigt man 1000 m³ Wasser, um 2 t Getreide zu ernten.

1. Wasser ist Energieträger
2. Wasser ist Transportmittel
3. Wasser ist wichtigster Energieregler für den Wärmehaushalt der Erde; ohne den Verdunstungsprozess wäre das Leben auf der Erde in der jetzigen Form unmöglich.

Diese in den Kreislauf der Natur eingebundenen Funktionen des Wassers haben einen unterschiedlichen Anteil an der Nutzung des Gesamtwasserreservoirs, eine exakte Analyse, in welchem Maße dadurch die natürliche Qualität des Wassers beeinflusst wird, ist  jedoch nicht möglich.

Neben dem rein natürlichen Kreislauf des Wassers in der Natur kommt dem Wasser auch im urbanen Bereich lebensnotwendige Bedeutung zu. Hier wird die Wasserverwendung üblicherweise in zwei Hauptgruppen untergliedert und zwar:
1. Wasser als Lebensmittel, meist in Form von Trinkwasser
2. Wasser als Rohstoff und Kühlmittel für die Energieerzeugung und die Industrie.

Der Mensch benötigt pro Tag 1,5 - 3 Liter Wasser als Nahrungsmittel. Wasser als Lebensmittel kann nicht durch andere Substanzen ersetzt werden.
Seine Qualität hat strengen Anforderungen zu entsprechen, die für die Bundesrepublik Deutschland in der Trinkwasser-Verordnung, der Trinkwasser-Aufbereitungsverordnung und der DIN 2000 detailliert beschrieben sind.

Neben der Nahrungsaufnahme wird Trinkwasser im Haushalt für weitere Aufgaben gebraucht, besonders im Hygienebereich, so dass in der Bundesrepublik Deutschland ein Mindestbedarf an Trinkwasser von ca. 150 Liter, pro Tag und Einwohner besteht.

Die industriellen Ansprüche an Qualität und Quantität des Wassers sind gegenüber der Trinkwasserversorgung wesentlich differenzierter. Hier dominieren nicht die hygienischen Belange, sondern die aus der Anwendungsvielfalt resultierenden unterschiedlichen Anforderungen. Wasser als industrieller  Rohstoff wird verwendet zum Kühlen, Lösen, Verdünnen, Waschen, zur Dampferzeugung, zur Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen, für hygienische Zwecke etc.. Seine Güte variiert je nach Verwendungsgebiet von grob mechanisch aufbereitetem Wasser für Wasch- und Schwenkzwecke bis hin zum ultrareinen, keimfreien Wasser für die Pharma-Industrie. Daneben ist die Verfügbarkeit über ausreichend gesicherte Wassermengen eine wesentliche Standortvoraussetzung industrieller Betätigung.

Der natürliche Kreislauf.

Entscheidendes Regulativ zur Erhaltung, des Süßwasserbestandes ist der Wasserkreislauf der Natur. Dieser setzt sich aus den Vorgängen - Verdunstung, Niederschlag, Abfluss, Verdunstung - zusammen. Bild 3 zeigt die Bilanz des globalen Wasserkreislaufes der Erde, aus der hervorgeht, dass auf den Meeren in gleichen  Zeiträumen mehr verdunstet, wie als Niederschlag abgesetzt wird. Auf den Landflächen liegen umgekehrte Verhältnisse vor.

                                                                                        Bild 3: Schematische Darstellung des Wasserkreislaufes der Erde Aus: http://www.dkrz.de

Unermüdlicher Motor des Wasserkreislaufs ist die Sonne. Unter dem energiereichen Einfluss ihrer Strahlen wechselt Wasser seinen Aggregatzustand (Gestalt) und seinen Standort: Wo immer es sich befindet, in Gewässern und Meeren, aber auch im Boden und in Pflanzen, verdunstet es und steigt als Wasserdampf (gasförmiges Wasser) in die Atmosphäre auf. In Mengen, die alle Transportunternehmen dieser Erde zusammen nicht bewältigen könnten: Allein über den Ozeanen befördern die Sonnenstrahlen in jeder Minute eine Luftfracht von etwa einer Milliarde Tonnen Wasser in die Atmosphäre, das ergibt eine jährliche Wassermasse von 450 Billiarden Tonnen. Weitere 70 bis 75 Billiarden Tonnen gehen jährlich vom Festland aus in die Lufthülle über.

Ein Buchenwald von einem Hektar Größe (das ist eine Fläche von 100 mal 100 Meter) gibt während seiner  Vegetationsperiode im Durchschnitt an jedem Tag über 10000 Liter Wasser ab, also eine Masse von zehn Tonnen. In den oberen kalten Luftschichten der Atmosphäre kühlt der Wasserdampf wieder ab und verdichtet sich zu kleinen Tröpfchen, die sich ihrerseits zu Wolken zusammenballen. Ereichen diese Tröpfchen eine gewisse Größe, fallen sie der Schwerkraft anheim und als Regen, Schnee oder Hagel auf die  Erde zurück. Rund 80 Prozent davon gehen ins Meer, der Rest immerhin noch eine Trillion Liter im Jahr - aufs Festland. Es ist gut, dass der Himmel seine Schleusen nicht an einem Tag über einer einzigen Stelle unseres Planeten öffnet. Denn allein dieser auf unsere fünf Kontinente niedergehende Wasserschwall hätte eine Masse von einer Billiarde Tonnen. Millionen von Menschen würden allerdings viel dafür geben, wenn es  in ihren Regionen auch nur einmal im Jahr vom Himmel tröpfeln würde. Denn: Ohne Wasser keine Ernten! Die ungleichmäßige Verteilung der Niederschläge auf der Erde ist eines der größten Probleme für die Welternährung.

Eine stattliche Menge der aufs Festland fallenden Niederschläge wird sofort in Bäche und Flüsse  geschwemmt und landet so irgendwann einem See oder ohne derlei Umwege direkt wieder im Meer. Ein weiterer Teil findet seine Abnehmer im Boden: Mit ihren Wurzeln saugen die Pflanzen das für sie lebensnotwendige Wasser auf - ein ausgewachsener Laubbaum braucht rund 100 Liter am Tag - und pumpen es bis in die entlegenste Blattspitze. Teilweise mit imposanter Geschwindigkeit: Eine deutsche  Eiche bringt es auf 43 Meter in der Stunde, eine tropische Liane gar auf 150 Meter. Der Rest der Niederschläge, der den Pflanzen entgeht, und von den Bodenkolloiden nicht adsorbiert wird, sickert in  tiefere Bodenschichten, bis er schließlich in einem der vielen Grundwasserströme unserer Lithosphäre (Gesteinsmantel) landet. Es kann Wochen und Monate, unter Umständen sogar viele Jahre dauern bis das Wasser - in einer Quelle oder einem Brunnen - wieder an der Erdoberfläche erscheint.

Bei detaillierter Betrachtung, die für die Wasserwirtschaft einzelner Regionen maßgebend ist, kann sich  dieser globale Zustand umkehren. So hat beispielsweise die nördliche Erdhalbkugel ein Verdunstungsdefizit, während die Südhalbkugel einen Verdunstungsüberschuss aufweist. Auch kann der Verdunstungsanteil am  Gesamtniederschlag über den Landflächen größer als der Zuschuss von den Weltmeeren sein. Je kleiner die betrachteten Areale werden, um so stärker können die örtlichen Werte von den Globalzahlen abweichen.  Dies zeigt Bild 4 am Wasserkreislauf der Natur in der Bundesrepublik Deutschland. Danach ist fast ein Drittel des Niederschlags auf die Bundesrepublik Deutschland für die Grundwasserneubildung anzusetzen, während  der direkte oberirdische Abfluss nur 7% beträgt. Der Hauptanteil des Niederschlags wird mit 62% für die Pflanzen- und Oberflächenverdunstung benötigt.

                                      
Bild 4. Wasserbilanz von Deutschland für den Zeitraum 1961-1990 mit den
Wasserverbrauchszahlen von 1990. aus: geodz.com

Wer nutzt das meiste Wasser?

Die Wassernutzung durch uns Menschen unterscheidet sich von der Umsetzung im rein natürlichen Wasserkreislauf dadurch, dass infolge des Eintrags von zusätzlichen organischen und anorganischen Substanzen die ursprünglichen physikalischen und chemischen Zustandsbedingungen des Wassers verändert wird. Um Störungen im biologischen Gleichgewicht der abwasseraufnehmenden Gewässer zu vermeiden, ist es erforderlich, besonders die mit hohen Schmutzfrachten beladenen Abwässer vor der Rückgabe in den Wasserkreislauf der Natur zu reinigen.

Nach den Ergebnissen der Statistiken der Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung in der Wirtschaft  sowie bei Wärmekraftwerken für die öffentliche Energieversorgung und der öffentlichen Wasserversorgung ergeben sich für Grund- und Quellwasser 8000 Mio. m³/a, für Oberflächenwasser 25000 Mio. m³/a. Der  größte Wassernutzer ist die Energiewirtschaft, gefolgt von der Industrie und den Kommunen. Je nach Nutzungszweck wird das Wasser aus dem Grundwasser- oder Oberflächenwasserreservoir entnommen.

Was man unter Grundwasser versteht sowie weitere Wasserthemen werden in Wasser Teil 2 behandelt.